金屬--半導(dǎo)體復(fù)合納米陣列的可控制備及光催化性能研究.pdf

1、我們主要通過燃燒不可再生的化石燃料來獲取能源，然而化石燃料燃燒的同時(shí)釋放出大量的二氧化碳，這將引發(fā)一系列潛在的環(huán)境問題。近年來，利用半導(dǎo)體光催化劑，通過水分解產(chǎn)氫、二氧化碳還原等反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔能源成為研究熱點(diǎn)。其中，納米陣列半導(dǎo)體材料具有高比表面積，可實(shí)現(xiàn)對入射光的多次反射，促進(jìn)光生載流子的遷移，提供更多活性位點(diǎn)，提升電子傳輸及光學(xué)吸收等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于光催化、電催化等催化反應(yīng)中。
　　無機(jī)半導(dǎo)體作為光催化劑，在應(yīng)用過程

2、中需要解決兩方面問題:一是提升半導(dǎo)體對全譜光的利用。例如TiO2性能穩(wěn)定，但帶隙較寬，只能在紫外光條件下工作，不能高效利用可見光。二是抑制半導(dǎo)體中載流子復(fù)合，提升其活性。例如半導(dǎo)體Fe2O3，可以有效利用可見光，但是其電子-空穴易復(fù)合，活性不高。本文中，我們通過利用模板法、水熱法及電化學(xué)合成方法，制備無機(jī)納米陣列結(jié)構(gòu)，通過摻雜、與貴金屬納米顆粒形成復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式來調(diào)節(jié)納米陣列的吸光范圍，并與共催化劑形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，提升復(fù)合材料在光催化過程

3、中的活性。所取得主要成果如下:
　　1.以Au/BiVO4納米碗陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為研究體系。我們利用PS球膠體晶體模板，制備BiVO4納米碗結(jié)構(gòu)陣列樣品;通過調(diào)節(jié)PS球的粒徑，可獲得不同周期的BiVO4納米碗結(jié)構(gòu)陣列。利用電子束蒸發(fā)方法，獲得Au/BiVO4納米碗結(jié)構(gòu)陣列樣品。研究了不同周期的BiVO4納米碗結(jié)構(gòu)陣列和Au/BiVO4納米碗結(jié)構(gòu)陣列樣品在可見光照射下的光電性能。利用周期為100nm的Au/BiVO4納米碗陣列結(jié)構(gòu)光

4、催化劑在可見光照射條件下，光催化水分解產(chǎn)生O2的產(chǎn)生速率為13.6μmol h-1cm-2，相比于單一周期為100nm的BiVO4納米碗陣列樣品，氧氣產(chǎn)生速率約有4倍的提升。
　　2.以Au納米顆粒結(jié)合N摻雜TiO2碗陣列結(jié)構(gòu)為研究體系。結(jié)合不同氣氛退火工藝，研究N元素?fù)诫s量對TiO2納米碗陣列結(jié)構(gòu)吸光的影響;同時(shí)結(jié)合電子束蒸發(fā)工藝，將N摻雜TiO2納米碗陣列與Au納米顆粒相結(jié)合。研究了在紫外光、可見光和全譜光下，復(fù)合納米陣列的光

5、電行為及作為催化劑實(shí)現(xiàn)水分解的產(chǎn)物產(chǎn)生速率。研究發(fā)現(xiàn)NH3氛圍退火獲得的Au納米顆粒修飾的N-TiO2納米碗結(jié)構(gòu)陣列在波長小于550nm光照情況下，氫氣產(chǎn)生速率可達(dá)0.726mmol·g-1·h-1。該催化劑性能提升源于肖特基結(jié)與能量共振轉(zhuǎn)移過程的二者協(xié)同。
　　3.以Ag-Cu納米顆粒結(jié)合N摻雜TiO2納米棒（片）陣列結(jié)構(gòu)為研究體系。該體系是為了進(jìn)一步降低催化劑成本，利用水熱法分別制備金紅石型TiO2納米棒陣列和銳鈦礦型TiO2

6、納米片陣列，通過NH3氛圍退火實(shí)現(xiàn)兩種陣列樣品的N摻雜。分別通過光沉積方法和電子束蒸發(fā)方法，進(jìn)一步將Ag-Cu與N摻雜TiO2陣列結(jié)構(gòu)結(jié)合。Ag納米顆?？蓪?shí)現(xiàn)等離激元共振，而Cu納米顆粒可為CO2選擇性轉(zhuǎn)換提供位點(diǎn)。研究了兩種陣列樣品在不同光源照射條件下的光電行為，發(fā)現(xiàn)Ag-Cu/N-TiO2樣品在CO2光催化還原反應(yīng)過程中的活性提升來源于等離激元共振和肖特基結(jié)的二者協(xié)同作用。在全譜光條件下，電子束蒸發(fā)方法制備的Ag-Cu/N摻雜TiO

7、2納米片陣列樣品可實(shí)現(xiàn)123.7μmol g-1h-1的催化CO2還原為CH4產(chǎn)生速率。
　　4.以周期性Au網(wǎng)陣列/Fe2O3薄膜/CoAl層狀雙氫氧化物(LDH)三層結(jié)構(gòu)為研究體系。以單層密排聚苯乙烯(PS)球膠體晶體為模板，利用模板輔助電沉積方法，制備周期性有序Au網(wǎng)格陣列結(jié)構(gòu);通過電沉積法在Au網(wǎng)陣列上沉積Fe薄膜，并通過退火氧化獲得Au網(wǎng)格/Fe2O3雙層結(jié)構(gòu);再利用水熱法獲得周期性Au網(wǎng)陣列/Fe2O3薄膜/CoAl